降雨对土壤养分流失的影响研究

杨 洁

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

中国南部岩溶面积约54万m2，占中国岩溶总面积的55%，是中国陆地生态系统的重要组成部分，可溶性岩石在长期自然过程中溶解，影响地表和地下水文地质结构[1]。同时，大面积裸露基岩限制了耕地的面积，引起土壤侵蚀，土壤养分流失的路径更加复杂。影响土壤养分损失的主要因素是降雨强度、坡度、坡长、流量、耕作方式以及植被覆盖方式等[2]，已有学者开展了相关方面的研究[3]。李家明[4]设计了强度为60mm/h的人工降雨，研究不同植被覆盖对坡面径流以及泥沙养分特征的影响，指出土壤中氮有机质和磷含量最高可分别增加107.0%和25.0%，全氮含量减少42.5%。彭旭东[5]指出地表径流量随降雨强度的增大而增加，总氮和总磷输出负荷则以径流为主，其中径流以地下径流输出为主，总氮地表负荷比范围为7.0%～48.35%。脱云飞[6]以滇中高原为研究对象，指出降雨条件下土壤全磷、有效磷和有机质随土壤深度增大先增大后减小，全磷分别为520～600mg/kg，有效磷为3.0～5.0g/kg。目前，岩溶坡地养分流失的研究大多集中在地表流失规律的评价上，现有的研究方法仍存在一定的局限性，地下径流及其养分损失变化以及降雨强度影响地表和地下径流和养分损失的机制仍待进一步研究[7]。

本文以坡耕地为研究对象，模拟地表和地下坡耕地的空间结构，设置了30、60、90、120mm/h四种降雨强度，研究降雨强度对坡耕地养分流失的影响，为坡地土壤水土流失防治提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区地点

本研究位于亚热带湿润季风气候的石漠化地区，年平均气温约为15.8℃，年平均相对湿度为68%，无霜期可达270d左右，年平均降水量约为1200mm。碳酸盐岩在广泛存在，当地土为多钙质土，由碳酸盐岩风化物质形成，土壤面积约占地区耕地的10%。

1.2 试验设计

本文试验由人工降雨模拟器模拟自然界的降雨情况，设置从6m的高度降雨，降雨均匀度≥80%，降雨强度设计为4个等级，分别为：30、60、90、120mm/h，每次降雨事件的持续时间为40min。设计坡度可调节的钢槽，长度、宽度和高度分别为4、1.5、0.35m。钢槽底部有均匀分布的小孔，可模基岩暴露度，当孔洞完全重叠时会产生较大的缝隙，当孔洞完全交错时会产生最小的裂缝。研究该地区地表和地下径流的养分流失特征，试验中基岩的暴露率为20%，坡度和裂隙程度分别为20°和3%。基岩暴露率为裸露基岩面积与边坡水平投影面积之比。模拟降雨试验过程中，为测定径流水样中的总氮、总磷和总钾含量，每隔4min收集地下径流和地表径流的水样。通过测量空白样品的水养分含量减去径流样品测量的水养分含量的结果以确定养分流失特征。养分流失率为地表或地下养分损失量与总养分损失的比值，单位为%。土壤养分损失模数为单位时间通过单位水平投影面积水流的养分损失量，单位为mg/(h·m2)。

2 结果与分析

2.1 实验结果

2.1.1不同降雨强度下径流的养分浓度

在不同降雨强度下，地表和地下径流中的养分损失随降雨时间的变化如图1所示，图1(a)为氮素流失量，图1(b)为磷素流失量，图1(c)为钾素流失量。地表径流浓度随降雨持续时间的变化而呈现不同的变化规律，在不同降雨强度下，未考虑初始侵蚀效应。总氮浓度在不同降雨强度情况下略有差异，在降雨强度为30、60、90mm/h时，整体呈现随降雨时间的持续而先减小后增大再减小的趋势。在降雨强度为30mm/h时，氮素流失量在16min情况下达到最低值，为1.63mg/L，在28min情况下达到最高值，为2.37mg/L。在降雨强度为120mm/h时，氮素流失量整体上呈现下降的趋势，由1.82mg/L逐渐降低为1.34mg/L。地下径流在不同降雨情况下随降雨持续时间的增加而呈现一定范围内的波动，在60mm/h的降雨强度下，地下径流的氮素流失量较其他降雨强度情况下高，最低为2.52mg/L，最高为2.83mg/L。降雨强度为90mm/h和120mm/h时，氮素流失量曲线较为接近，在降雨后期都有一定的下降。

图1 径流养分浓度随降雨持续时间的变化

图1(b)所示，磷素流失量在整个降雨过程中显著波动，整体略有下降趋势。随着降雨时间的增加，喀斯特地区坡地上的磷素流失量首先迅速增加，然后趋于平缓增加，这与径流随降雨持续时间的变化相似。例如，在降雨强度为60mm/h时，地表径流在降雨时长为8min时为0.14mg/L，后显著增加为0.24mg/L，在0.2mg/L以上波动。在降雨强度为60mm/h时，地下径流反而在整个降雨过程中的前期持续上升，在28min时达到峰值0.43mg/L，后由缓慢下降。在整个降雨过程中，不同降雨强度下，磷素流失量达到峰值的时间略有不同。降雨强度为30mg/h时，地表径流磷素流失量在24min达到峰值，在90mg/h时，地下径流磷素流失量在16min达到峰值。

图1(c)所示，钾素流失量在整个降雨过程中，随着降雨时间的增加，坡地上的磷素流失量的变化较为相似但仍存在差距。降雨强度为120mm/h时，地表径流钾素流失量先显著下降，降雨时长为20min时为最低值0.094mg/L，后又显著增加。降雨强度为30mm/h时，地下径流钾素流失量很小，在同降雨强度情况下的地表径流钾素流失量较大，在0.18～2.09mg/L之间波动。

研究结果表明，在较小降雨强度情况下，坡面上径流量极小，大部分水透过土壤间隙通过地下裂缝向下流动。降雨是非点源污染的动力源，形成的径流是氮和磷输出的载体和溶剂。坡地土壤养分的流失使土地生产力的有一定的下降，另一方面，通过孔隙和裂缝等渠道的地下营养流失会导致地下水污染。

2.1.2不同降雨强度下径流的养分损失总量

不同降雨强度下地表和地下径流中总氮损失、总磷损失和总钾损失如图2所示，图2(a)为总氮损失，图2(b)为总磷损失，图2(c)为总钾损失。地表径流的养分损失低于地下径流的养分损失，受到不同外部因素的影响，不同降雨强度下的养分损失差异显著。地表径流和地下径流的养分损失总体上随降雨强度的增加而增加。降雨强度为120mm/h时，地下径流的总氮损失、总磷损失和总钾损失均大于其他降雨强度情况下的养分损失，在40min时，径流中的总氮损失较90、60mm/h降雨强度时高23.1%和61.3%，径流中的总磷损失与60mm/h时的较为接近，较90mm/h降雨强度时高71.8%，径流中的总钾损失较90、60mm/h降雨强度时高20.5%和26.2%。降雨强度为120mm/h时，地表径流的总氮损失反而最低，在40min时为0.23mg，其他降雨强度下，地表径流的总氮损失随降雨持续时间的增加波动较小，不同降雨强度等级下的数值较为接近。地表径流的总磷损失和总钾损失总体上随降雨强度的增加而增加。

分析其原因，坡地岩溶农田地下养分的流失比地表养分的流失更为复杂。降雨强度的增加会降低氮和钾的平均浓度，促进氮和钾的有效溶解和释放。在同一降雨时段，径流量随降雨强度的增加而增加，氮和钾的稀释效应随径流的增加而增加[8]。由磷的溶解度低，磷较容易被土壤吸收，磷元素在径流中的迁移能力较弱。因此，磷元素的浓度不会随降雨强度的差异而显著变化。当水体中的元素浓度超过绝对值时，长期积累将导致水体富营养化。因此，在农业生产过程中，施肥量和施肥期应控制在合理的水平，以防止由于倾斜农田的长期营养流失而导致水体富营养化。随着降雨强度的增加，地表径流中溶解的营养物质增多，营养物质损失量增加，降雨中后期地表结皮，增加了地表营养物质的损失[9]。在实际中建议可通过种植高覆盖率作物或增加作物种植密度以减少坡地上的地表养分损失，以减少养分损失程度。

2.2 结果分析

降雨强度是影响坡地径流的重要因素，其大小将直接影响径流量。随着降雨持续时间的延长，不同降雨强度下的地表和地下养分浓度大部分呈现逐渐下降的趋势，但没有表现出明显的初始侵蚀效应，其原因可能是早期降雨时间短、径流量小，一些可溶性元素未完全溶解在水中，导致降雨开始时各种元素的浓度几乎没有变化。

养分损失量在降雨初期通常增加，后期随着降雨的持续而逐渐稳定。降雨量越大，养分损失越大，地表和地下养分损失差异显著。地表径流中的氮损失主要是颗粒形式，而土壤中的流失主要是溶解的氮。水中的营养物质快速溶解的数量取决于土壤水分，水分含量决定了元素溶解和吸附的比例，以溶解形式释放到径流中的养分总量随着土壤含水量的增加而增加。氮和钾较易溶于水，在溶解状态下损失较多，而地表径流是岩溶坡地雨季磷流失的主要方式，主要形式为颗粒磷和溶解磷。当径流冲刷表层土时，当表层土随径流迁移时，吸附在颗粒表面的磷也会流失，相关研究结果表明，径流流失的土壤磷主要是颗粒形式，最高可达到磷损失总量的近80%，细泥沙颗粒截留能力越高，地表磷的损失越大[10]。

3 结语

本文以轻度石漠化坡耕地为研究对象，分析坡耕地土壤养分流失的规律，得到以下结论：

(1)降雨强度是影响坡地径流的重要因素，其大小将直接影响径流量。随着降雨持续时间的延长，不同降雨强度下的地表和地下养分浓度大部分呈现逐渐下降的趋势，但没有表现出明显的初始侵蚀效应。

(2)养分损失量在降雨初期通常增加，后期随着降雨的持续而逐渐稳定。降雨量越大，养分损失越大，地表和地下养分损失差异显著。

(3)由于人工模拟的局限性，土壤介质的处理、底板岩石结构、孔隙和裂缝分布及基岩暴露率之间存在偏差，在以后的研究中可进行定点定性现场试验，对地下裂缝的形态和连通性进行详细调查，获得更详细的数据，确定坡地养分流失模式。